全光开关实用化的技术难度在哪里?( 二 )
Nature Photonics 4.1 (2010): 3-5.
■网友
没人邀我自己答。保研的时候一不小心跳进导师挖的深坑，做全光开关研究。首先需要简单描述一下全光开关的基本意义，意思自然是以光控制光，无光电信号之间的相互转换。先说开关的特性，对于光开关来说，所需要的就是光信号传导的某些参数发生变化（包括光强、频率、波长等等），然后通过特殊的系统来识别光通道的开关，进行数据的处理。比如我现在研究的全光开关是利用材料相变特性，通过激光使得材料相变，使材料折射率发生变化，然后使得器件整体的透射谱发生变化，从而实现开关特性。就像TTL信号一样，低平信号输出0，但是，实际其信号低平电平不是等于0的。这器件的结构大概就这样：
【全光开关实用化的技术难度在哪里?】
然而，在进行这个东西的研究的时候，我一直在思考，这东西做出来有什么用？虽然这个东西如果成功做出来，理论上通过改进一些参数，开关速率可以达到ns水平（受材料水平限制，也就是说换别的先进材料可能可以达到ps），速度慢且不说，但是这激光器怎么控制呢，不可能每个开关配置一个激光器，所以就需要设置中转装置集中开关，配合激光器使用，所以在我看来，这种利用强激光控制光路通断的方法，是极其不实用的。虽然我在第一次见到小老板的时候就问过这个问题，小老板说：“我们是做器件的，系统的事情不用我们考虑！”当时我内心是崩溃的，系统设计不出来，你这器件做出来有什么用…么用…用…后来，老师说做出来了并不一定要能实用，因为需要百花齐放，各自找出优缺点，相互借鉴，才能使这方面技术进步（然并卵，我实验各种失败，而且这种话我当年忽悠人的时候说的也不少）。全光开关，现在是处于科学研究当中，真要实现实用，估计至少得过个十多年。所以说，全光通信概念被提出了这么多年，一直都是概念性的东西，也就导致了2001年的光纤通信泡沫破裂。理论是有的，但是器件设备跟不上有什么用，还需要各种人才前赴后继往里填。不过现在的我天天想着怎么脱坑，出来以后也就和我没关系啦。
■网友
稍微跑个题，说下电控的光开关现状：1. 基于MZI技术的光开关阵列早就有商用产品了，比如EPI PHOTONICS的产品。 但基于MZI干涉原理的光开关，其难点在于单片无法集成多个MZI单元，因为NxN交换矩阵的单元数一般是N平方关系或者Nlog2N关系，所以商用产品能做到8x8就很好了，端口数太少，应用场景有限，记得今年OFC会议有篇日本人的论文说做到了32x32。2. 基于MEMS技术的，就是靠微机械镜建立空间光路，实现交换功能。这种形式的光开关产品也有很多厂家做，容易做到高端口数（几百个），很可能在城域光交换应用替代现有的ROADM。
■网友
泻药，和 @tao chen一样，我也需要澄清一下。虽然我曾经在Synopsys干过很长时间，现在也仍然在EDA领域干，但是对光开关这种工艺前沿实在认识不多。不过，既然在EDA领域混了小20年，对于“实现全光计算机的难度”还是能灌点水的。首先说明一下题目。对于集成电路来说，一个开关管其实就是一个电控开关，而最常用的CMOS类工艺生产的几乎都是开关管。现在的CPU内部晶体管的数量已经以billion为单位了，要是一个开关的功率如题目描述为毫瓦级，一个兆瓦级功率的CPU，想想就害怕。要知道，一个普通的函数计算器，用电池的那种，总功率也就是毫瓦级。以最乐观的语气来说，实现光开关到全光计算机，也许相当于西游记里面美猴王离开花果山去学艺的程度。开关管（其实就是一个电开关）对于集成电路设计来说，真的连“积木块”都算不上。设计IC的时候，我们放的功能块怎么也要到存储器、ALU一类的单元一级。只有专门搞工艺的那帮人可能了解开关管怎么做，工艺参数如何；象我这样的，早就忘光了。以目前的设计流程来说，数字电路设计靠工具，这部分开关管（也许还包括触发器）还能通过光开关替代。但是这类工具规模巨大，价钱感人（例如Synopsys赖以起家的Design Compiler，怎么也要以百万刀为单位），要想实现类似功能的光开关设计工具，我看怎么也要好几年吧。这还没算更底层的布局布线工具、版图设计工具、验证工具等等一大套。其实对于光计算机，更讨厌的一个问题是模拟电路部分，比如运放、AD/DA怎么办。这类电路可不是用开关实现的，而且设计难度更高。业内有句话：“数字电路设计靠工具，模拟电路设计是艺术”，所以能数字化的电路统统数字化，不一定是因为数字化好，实在是模拟电路太难做。总结起来就是，光开关虽然前景看起来很好，但是真的想实用化，万里长征慢慢走吧。
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